Shipping Configuration Optimization with Topology-Based Guided Local Search for Irregular Shaped Shipments

Manufacturer that uses containers to ship products always works to optimize the space inside the containers. Container loading problems (CLP) are widely encountered in forms of raw material flow and handling, product shipments, warehouse management, facility floor planning, as well as strip-packing nesting problems.Investigations and research conducted two decades ago were logistic orientated, on the basis of the empirical approaches

Using simulation to analyze picker blocking in manual order picking systems

The rise of the e-commerce practice makes the warehouses be confronted with ever smaller orders that must be met ever faster, often within a 24-h period. This pressures the order picking process as the orders pickers' workload becomes higher and higher, leading subsequently to congestion in the warehouse and impacting its productivity. It is therefore crucial to determine which order batching and picking policies enhance the performance of order picking activities. This paper carries out an intensive simulation study to examine the performance of different order picking policies with batching in a wide-aisle warehouse with a low-level picker-to-parts system. The performance of the system is measured in terms of total travelled distance, number of collisions between operators (congestion) and order lead times. A full factorial design is set up and the simulation output is statistically analyzed. The results are reported and thoroughly discussed

Conflict-free routing of multi-stop warehouse trucks

The recent interest in greater vehicular autonomy for factory and warehouse automation has stimulated research in conflict-free routing: a challenging network routing problem in which vehicles may not pass each other. Motivated by a real-world case study, we consider one such application: truck movements in a tightly constrained warehouse. We propose an extension of an existing conflict-free routing algorithm to consider multiple stopping points per route. A high level metaheuristic is applied to determine the route construction and assignment of vehicles to routes

Material handling optimization in warehousing operations

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019.Les activités de distribution et d’entreposage sont des piliers importants de la chaîne d’approvisionnement. Ils assurent la stabilité du flux de matières et la synchronisation de toutes les parties prenantes du réseau. Un centre de distribution (CD) agit comme un point de découplage entre l’approvisionnement, la production et les ventes. La distribution comprend un large éventail d’activités visant à assurer la satisfaction de la demande. Ces activités passent de la réception au stockage des produits finis ou semi-finis, à la préparation des commandes et à la livraison. Les opérations d’un CD sont maintenant perçues comme des facteurs critiques d’amélioration. Elles sont responsables de la satisfaction d’un marché en évolution, exigeant des délais de livraison toujours plus rapides et plus fiables, des commandes exactes et des produits hautement personnalisés. C’est pourquoi la recherche en gestion des opérations met beaucoup d’efforts sur le problème de gestion des CDs. Depuis plusieurs années, nous avons connu de fortes avancées en matière d’entreposage et de préparation de commandes. L’activité de préparation de commandes est le processus consistant à récupérer les articles à leur emplacement de stockage afin d’assembler des commandes. Ce problème a souvent été résolu comme une variante du problème du voyageur de commerce, où l’opérateur se déplace à travers les allées de l’entrepôt. Cependant, les entrepôts modernes comportent de plus en plus de familles de produits ayant des caractéristiques très particulières rendant les méthodes conventionnelles moins adéquates. Le premier volet de cette thèse par articles présente deux importants et complexes problèmes de manutention des produits lors de la préparation des commandes. Le problème de préparation des commandes a été largement étudié dans la littérature au cours des dernières décennies. Notre recherche élargit le spectre de ce problème en incluant un ensemble de caractéristiques associées aux installations physiques de la zone de prélèvement, comme les allées étroites, et aux caractéristiques des produits (poids, volume, catégorie, fragilité, etc.). Une perspective plus appliquée à la réalité des opérations est utilisée dans notre développement d’algorithmes. Les déplacements liés à la préparation des commandes sont fortement influencés par le positionnement des produits. La position des produits dans la zone de prélèvement est déterminée par une stratégie d’affectation de stockage (storage assignment strategy). Beaucoup de ces stratégies utilisent de l’information sur les ventes des produits afin de faciliter l’accès aux plus populaires. Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la durée de vie rentable d’un produit peut être relativement courte. Des promotions peuvent également être faites pour pousser différents produits sur le marché. Le positionnement fourni par la stratégie d’hier ne sera probablement plus optimal aujourd’hui. Il existe plusieurs études mesurant l’impact d’une bonne réaffectation de produits sur les opérations de prélèvement. Cependant, ils étudient la différence des performances avec les positionnements passés et actuels. La littérature démontre clairement que cela apporte des avantages en termes d’efficacité. Toutefois, les déplacements nécessaires pour passer d’une position à une autre peuvent constituer une activité très exigeante. Ceci constitue le second volet de cette thèse qui présente des avancées intéressantes sur le problème de repositionnement des produits dans la zone de prélèvement. Nous présentons le problème de repositionnement des produits sous une forme encore peu étudiée aux meilleurs de nos connaissances : le problème de repositionnement. Plus précisément, nous étudions la charge de travail requise pour passer d’une configuration à l’autre. Cette thèse est structuré comme suit. L’introduction présente les caractéristiques et les missions d’un système de distribution. Le chapitre 1 fournit un survol de la littérature sur les principales fonctions d’un centre de distribution et met l’accent sur la préparation des commandes et les décisions qui affectent cette opération. Le chapitre 2 est consacré à l’étude d’un problème de préparation de commandes en allées étroites avec des équipements de manutention contraignants. Dans le chapitre 3, nous étudions un problème de préparation des commandes où les caractéristiques des produits limitent fortement les routes de prélèvement. Le chapitre 4 présente une variante du problème de repositionnement (reassignment) avec une formulation originale pour le résoudre. La conclusion suit et résume les principales contributions de cette thèse. Mots clés : Préparation des commandes, entreposage, problèmes de routage, algorithmes exacts et heuristiques, réaffectation des produits, manutention.Distribution and warehousing activities are important pillars to an effective supply chain. They ensure the regulation of the operational flow and the synchronization of all actors in the network. Hence, distribution centers (DCs) act as crossover points between the supply, the production and the demand. The distribution includes a wide range of activities to ensure the integrity of the demand satisfaction. These activities range from the reception and storage of finished or semi-finished products to the preparation of orders and delivery. Distribution has been long seen as an operation with no or low added value; this has changed, and nowadays it is perceived as one of the critical areas for improvement. These activities are responsible for the satisfaction of an evolving market, requiring ever faster and more reliable delivery times, exact orders and highly customized products. This leads to an increased research interest on operations management focused on warehousing. For several years, we have witnessed strong advances in warehousing and order picking operations. The order picking activity is the process of retrieving items within the storage locations for the purpose of fulfilling orders. This problem has long been solved as a variant of the travelling salesman problem, where the order picker moves through aisles. However, modern warehouses with more and more product families may have special characteristics that make conventional methods irrelevant or inefficient. The first part of this thesis presents two practical and challenging material handling problems for the order picking within DCs. Since there are many research axes in the field of warehousing operations, we concentrated our efforts on the order picking problem and the repositioning of the products within the picking area. The order picking problem has been intensively studied in the literature. Our research widens the spectrum of this problem by including a set of characteristics associated with the physical facilities of the picking area and characteristics of the product, such as its weight, volume, category, fragility, etc. This means that a more applied perspective on the reality of operations is used in our algorithms development. The order picking workload is strongly influenced by the positioning of the products. The position of products within the picking area is determined by a storage assignment strategy. Many of these strategies use product sales information in order to facilitate access to the most popular items. In today’s competitive environment, the profitable lifetime of a product can be relatively short. The positioning provided by yesterday’s assignment is likely not the optimal one in the near future. There are several studies measuring the impact of a good reassignment of products on the picking operations. However, they study the difference between the two states of systems on the picking time. It is clear that this brings benefits. However, moving from one position to another is a very workload demanding activity. This constitutes the second part of this thesis which presents interesting advances on the repositioning of products within the picking area. We introduce the repositioning problem as an innovative way of improving performance, in what we call the reassignment problem. More specifically, we study the workload required to move from one setup to the next. This thesis is structured as follows. The introduction presents the characteristics and missions of a distribution system. Chapter 1 presents an overview of the literature on the main functions of a DC and emphasizes on order picking and decisions affecting this operation. Chapter 2 is devoted to the study of a picking problem with narrow aisles facilities and binding material handling equipment. In Chapter 3, we study the picking problem with a set of product features that strongly constrain the picking sequence. Chapter 4 presents a variant of the reassignment problem with a strong and new formulation to solve it. The conclusion follows and summarizes the main contributions of this thesis. Key words: Order-picking, warehousing, routing problems, exact and heuristic algorithms, products reassignment, material handling

Supply chain management: An opportunity for metaheuristics

In today’s highly competitive and global marketplace the pressure on organizations to find new ways to create and deliver value to customers grows ever stronger. In the last two decades, logistics and supply chain has moved to the center stage. There has been a growing recognition that it is through an effective management of the logistics function and the supply chain that the goal of cost reduction and service enhancement can be achieved. The key to success in Supply Chain Management (SCM) require heavy emphasis on integration of activities, cooperation, coordination and information sharing throughout the entire supply chain, from suppliers to customers. To be able to respond to the challenge of integration there is the need of sophisticated decision support systems based on powerful mathematical models and solution techniques, together with the advances in information and communication technologies. The industry and the academia have become increasingly interested in SCM to be able to respond to the problems and issues posed by the changes in the logistics and supply chain. We present a brief discussion on the important issues in SCM. We then argue that metaheuristics can play an important role in solving complex supply chain related problems derived by the importance of designing and managing the entire supply chain as a single entity. We will focus specially on the Iterated Local Search, Tabu Search and Scatter Search as the ones, but not limited to, with great potential to be used on solving the SCM related problems. We will present briefly some successful applications.Supply chain management, metaheuristics, iterated local search, tabu search and scatter search

Designing new models and algorithms to improve order picking operations

Order picking has been identified as a crucial factor for the competitiveness of a supply chain because inadequate order picking performance causes customer dissatisfaction and high costs. This dissertation aims at designing new models and algorithms to improve order picking operations and to support managerial decisions on facing current challenges in order picking. First, we study the standard order batching problem (OBP) to optimize the batching of customer orders with the objective of minimizing the total length of order picking tours. We present a mathematical model formulation of the problem and develop a hybrid solution approach of an adaptive large neighborhood search and a tabu search method. In numerical studies, we conduct an extensive comparison of our method to all previously published OBP methods that used standard benchmark sets to investigate their performance. Our hybrid outperforms all comparison methods with respect to average solution quality and runtime. Compared to the state-of-the-art, the hybrid shows the clearest advantages on the larger instances of the existing benchmark sets, which assume a larger number of customer orders and larger capacities of the picking device. Finally, our method is able to solve newly generated large-scale instances with up to 600 customer orders and six items per customer order with reasonable runtimes and convincing scaling behavior and robustness. Next, we address a problem based on a practical case, which is inspired by a warehouse of a German manufacturer of household products. In this warehouse, heavy items are not allowed to be placed on top of light items during picking to prevent damage to the light items. Currently, the case company determines the sequence for retrieving the items from their storage locations by applying a simple S-shape strategy that neglects this precedence constraint. As a result, order pickers place the collected items next to each other in plastic boxes and sort the items respecting the precedence constraint at the end of the order picking process. To avoid this sorting, we propose a picker routing strategy that incorporates the precedence constraint by picking heavy items before light items, and we develop an exact solution method to evaluate the strategy. We assess the performance of our strategy on a dataset provided to us by the manufacturer. We compare our strategy to the strategy used in the warehouse of the case company, and to an exact picker routing approach that does not consider the given precedence constraint. The results clearly demonstrate the convincing performance of our strategy even if we compare our strategy to the exact solution method that neglects the precedence constraint. Last, we investigate a new order picking problem, in which human order pickers of the traditional picker-to-parts setup are supported by automated guided vehicles (AGVs). We introduce two mathematical model formulations of the problem, and we develop a heuristic to solve the NP-hard problem. In numerical studies, we assess the solution quality of the heuristic in comparison to optimal solutions. The results demonstrate the ability of the heuristic in finding high-quality solutions within a negligible computation time. We conduct several computational experiments to investigate the effect of different numbers of AGVs and different traveling and walking speed ratios between AGVs and order pickers on the average total tardiness. The results of our experiments indicate that by adding (or removing) AGVs or by increasing (or decreasing) the AGV speed to adapt to different workloads, a large number of customer orders can be completed until the respective due date

Optimization of storage and picking systems in warehouses

La croissance du commerce électronique exige une hausse des performances des systèmes d'entreposage, qui sont maintenant repensés pour faire face à un volume massif de demandes à être satisfait le plus rapidement possible. Le système manuel et le système à robots mobile (SRM) sont parmi les plus utilisés pour ces activités. Le premier est un système centré sur l'humain pour réaliser des opérations complexes que les robots actuels ne peuvent pas effectuer. Cependant, les nouvelles générations de robots autonomes mènent à un remplacement progressif par le dernier pour augmenter la productivité. Quel que soit le système utilisé, plusieurs problèmes interdépendants doivent être résolus pour avoir des processus de stockage et de prélèvement efficaces. Les problèmes de stockage concernent les décisions d'où stocker les produits dans l'entrepôt. Les problèmes de prélèvement incluent le regroupement des commandes à exécuter ensemble et les itinéraires que les cueilleurs et les robots doivent suivre pour récupérer les produits demandés. Dans le système manuel, ces problèmes sont traditionnellement résolus à l'aide de politiques simples que les préparateurs peuvent facilement suivre. Malgré l'utilisation de robots, la même stratégie de solution est répliquée aux problèmes équivalents trouvés dans le SRM. Dans cette recherche, nous étudions les problèmes de stockage et de prélèvement rencontrés lors de la conception du système manuel et du SRM. Nous développons des outils d'optimisation pour aider à la prise de décision pour mettre en place leurs processus, en améliorant les mesures de performance typiques de ces systèmes. Certains problèmes traditionnels sont résolus avec des techniques améliorées, tandis que d'autres sont intégrés pour être résolus ensemble au lieu d'optimiser chaque sous-système de manière indépendante. Nous considérons d'abord un système manuel avec un ensemble connu de commandes et intégrons les décisions de stockage et de routage. Le problème intégré et certaines variantes tenant compte des politiques de routage communes sont modélisés mathématiquement. Une métaheuristique générale de recherche de voisinage variable est présentée pour traiter des instances de taille réelle. Des expériences attestent de l'efficience de la métaheuristique proposée par rapport aux modèles exacts et aux politiques de stockage communes. Lorsque les demandes futures sont incertaines, il est courant d'utiliser une stratégie de zonage qui divise la zone de stockage en zones et attribue les produits les plus demandés aux meilleures zones. Les tailles des zones sont à déterminer. Généralement, des dimensions arbitraires sont choisies, mais elles ignorent les caractéristiques de l'entrepôt et des demandes. Nous abordons le problème de dimensionnement des zones pour déterminer quels facteurs sont pertinents pour choisir de meilleures tailles de zone. Les données générées à partir de simulations exhaustives sont utilisées pour trainer quatre modèles de régression d'apprentissage automatique - moindres carrés ordinaire, arbre de régression, forêt aléatoire et perceptron multicouche - afin de prédire les dimensions optimales des zones en fonction de l'ensemble de facteurs pertinents identifiés. Nous montrons que tous les modèles entraînés suggèrent des dimensions sur mesure des zones qui performent meilleur que les dimensions arbitraires couramment utilisées. Une autre approche pour résoudre les problèmes de stockage pour le système manuel et pour le SRM considère les corrélations entre les produits. L'idée est que les produits régulièrement demandés ensemble doivent être stockés près pour réduire les coûts de routage. Cette politique de stockage peut être modélisée comme une variante du problème d'affectation quadratique (PAQ). Le PAQ est un problème combinatoire traditionnel et l'un des plus difficiles à résoudre. Nous examinons les variantes les plus connues du PAQ et développons une puissante métaheuristique itérative de recherche tabou mémétique en parallèle capable de les résoudre. La métaheuristique proposée s'avère être parmi les plus performantes pour le PAQ et surpasse considérablement l'état de l'art pour ses variantes. Les SRM permettent de repositionner facilement les pods d'inventaire pendant les opérations, ce qui peut conduire à un processus de prélèvement plus économe en énergie. Nous intégrons les décisions de repositionnement des pods à l'attribution des commandes et à la sélection des pods à l'aide d'une stratégie de prélèvement par vague. Les pods sont réorganisés en tenant compte du moment et de l'endroit où ils devraient être demandés au futur. Nous résolvons ce problème en utilisant la programmation stochastique en tenant compte de l'incertitude sur les demandes futures et suggérons une matheuristique de recherche locale pour résoudre des instances de taille réelle. Nous montrons que notre schéma d'approximation moyenne de l'échantillon est efficace pour simuler les demandes futures puisque nos méthodes améliorent les solutions trouvées lorsque les vagues sont planifiées sans tenir compte de l'avenir. Cette thèse est structurée comme suit. Après un chapitre d'introduction, nous présentons une revue de la littérature sur le système manuel et le SRM, et les décisions communes prises pour mettre en place leurs processus de stockage et de prélèvement. Les quatre chapitres suivants détaillent les études pour le problème de stockage et de routage intégré, le problème de dimensionnement des zones, le PAQ et le problème de repositionnement de pod. Nos conclusions sont résumées dans le dernier chapitre.The rising of e-commerce is demanding an increase in the performance of warehousing systems, which are being redesigned to deal with a mass volume of demands to be fulfilled as fast as possible. The manual system and the robotic mobile fulfillment system (RMFS) are among the most commonly used for these activities. The former is a human-centered system that handles complex operations that current robots cannot perform. However, newer generations of autonomous robots are leading to a gradual replacement by the latter to increase productivity. Regardless of the system used, several interdependent problems have to be solved to have efficient storage and picking processes. Storage problems concern decisions on where to store products within the warehouse. Picking problems include the batching of orders to be fulfilled together and the routes the pickers and robots should follow to retrieve the products demanded. In the manual system, these problems are traditionally solved using simple policies that pickers can easily follow. Despite using robots, the same solution strategy is being replicated to the equivalent problems found in the RMFS. In this research, we investigate storage and picking problems faced when designing manual and RMFS warehouses. We develop optimization tools to help in the decision-making process to set up their processes and improve typical performance measures considered in these systems. Some classic problems are solved with improved techniques, while others are integrated to be solved together instead of optimizing each subsystem sequentially. We first consider a manual system with a known set of orders and integrate storage and routing decisions. The integrated problem and some variants considering common routing policies are modeled mathematically. A general variable neighborhood search metaheuristic is presented to deal with real-size instances. Computational experiments attest to the effectiveness of the metaheuristic proposed compared to the exact models and common storage policies. When future demands are uncertain, it is common to use a zoning strategy to divide the storage area into zones and assign the most-demanded products to the best zones. Zone sizes are to be determined. Commonly, arbitrary sizes are chosen, which ignore the characteristics of the warehouse and the demands. We approach the zone sizing problem to determine which factors are relevant to choosing better zone sizes. Data generated from exhaustive simulations are used to train four machine learning regression models - ordinary least squares, regression tree, random forest, and multilayer perceptron - to predict the optimal zone sizes given the set of relevant factors identified. We show that all trained models suggest tailor-made zone sizes with better picking performance than the arbitrary ones commonly used. Another approach to solving storage problems, both in the manual and RMFS, considers the correlations between products. The idea is that products constantly demanded together should be stored closer to reduce routing costs. This storage policy can be modeled as a quadratic assignment problem (QAP) variant. The QAP is a traditional combinatorial problem and one of the hardest to solve. We survey the most traditional QAP variants and develop a powerful parallel memetic iterated tabu search metaheuristic capable of solving them. The proposed metaheuristic is shown to be among the best performing ones for the QAP and significantly outperforms the state-of-the-art for its variants. The RMFS allows easy repositioning of inventory pods during operations that can lead to a more energy-efficient picking process. We integrate pod repositioning decisions with order assignment and pod selection using a wave picking strategy such that pods are parked after being requested considering when and where they are expected to be requested next. We solve this integrated problem using stochastic programming considering the uncertainty about future demands and suggest a local search matheuristic to solve real-size instances. We show that our sample average approximation scheme is effective to simulate future demands since our methods improve solutions found when waves are planned without considering the future demands. This thesis is structured as follows. After an introductory chapter, we present a literature review on the manual and RMFS, and common decisions made to set up their storage and picking processes. The next four chapters detail the studies for the integrated storage and routing problem, the zone sizing problem, the QAP, and the pod repositioning problem. Our findings are summarized in the last chapter

Integration of returns and decomposition of customer orders in e-commerce warehouses

In picker-to-parts warehouses, order picking is a cost- and labor-intensive operation that must be designed efficiently. It comprises the construction of order batches and the associated order picker routes, and the assignment and sequencing of those batches to multiple order pickers. The ever-increasing competitiveness among e-commerce companies has made the joint optimization of this order picking process inevitable. Inspired by the large number of product returns and the many but small-sized customer orders, we address a new integrated order picking process problem. We integrate the restocking of returned products into regular order picking routes and we allow for the decomposition of customer orders so that multiple batches may contain products from the same customer order. We thereby generalize the existing models on order picking processing. We provide Mixed Integer Programming (MIP) formulations and a tailored adaptive large neighborhood search heuristic that, amongst others, exploits these MIPs. We propose a new set of practically-sized benchmark instances, consisting of up to 5547 to be picked products and 2491 to be restocked products. On those large-scale instances, we show that integrating the restocking of returned products into regular order picker routes results in cost-savings of 10 to 15%. Allowing for the decomposition of the customer orders' products results in cost savings of up to 44% compared to not allowing this. Finally, we show that on average cost-savings of 17.4% can be obtained by using our ALNS instead of heuristics typically used in practice.Comment: Authors' preprin